JP2016005136A - アンテナ装置、及び無線装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡易に製造でき、通信精度を向上させることができるアンテナ装置、及び無線装置を提供する。【解決手段】アンテナ装置は、基板を貫通するスルーホールと、基板の第1層に形成され、スルーホールの一端との間に隙間を有する第1接地導体と、基板の第2層に形成される第2接地導体とを有する。アンテナ装置は、基板に形成され、直線偏波を送信又は受信する放射素子と、基板の内層であって、第1層と第2層との間に位置する第3層に形成され、スルーホールと導通し、放射素子に給電する給電線とを備える。アンテナ装置の給電線は、第3層のうち、隙間を基板の厚さ方向に投影した領域に、直線偏波の偏波面と略平行に形成される直線路を有する。【選択図】図1A

Description

本発明の実施形態は、アンテナ装置、及び無線装置に関する。
従来、回路基板に形成された放射素子へ、基板外部に設けた同軸構造の同軸線路又は同軸コネクタを用いて給電するアンテナ装置が知られている。かかるアンテナ装置は、同軸線路の内導体とストリップ線路の信号線とを導通させることで放射素子に給電する。
同軸線路とストリップ線路とを導通する方法としては、例えば回路基板に設けた非貫通のビアホールを用いて、同軸線路の内導体とストリップ線路の信号線とを導通する方法がある。また、別の方法として、回路基板を貫通するスルーホールを用いて同軸線路の内導体とストリップ線路の信号線とを導通する方法がある。
しかしながら、従来のビアホールを用いる導通方法は、非貫通のビアホールを設けるため、製造コストが増加するという問題がある。また、従来のスルーホールを用いる導通方法は、スルーホールと接地導体との間に隙間を設ける必要がある。そのため、スルーホールを用いる導通方法でアンテナ装置と同軸線路とを接続すると、かかる隙間から漏洩する電波の影響でアンテナ装置の通信精度が劣化するという問題がある。
特開2001−102747号公報 実開平2−79603号公報
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易に製造でき、通信精度を向上させることができるアンテナ装置、及び無線装置を提供することを目的とする。
アンテナ装置は、基板を貫通するスルーホールと、基板の第1層に形成され、スルーホールの一端との間に隙間を有する第1接地導体と、基板の第2層に形成される第2接地導体とを有する。アンテナ装置は、基板に形成され、直線偏波を送信又は受信する放射素子と、基板の内層であって、第1層と第2層との間に位置する第3層に形成され、スルーホールと導通し、放射素子に給電する給電線とを備える。アンテナ装置の給電線は、第3層のうち、隙間を基板の厚さ方向に投影した領域に、直線偏波の偏波面と略平行に形成される直線路を有する。
第1実施形態にかかるアンテナ装置の構成を示す上面図。 第1実施形態にかかるアンテナ装置の構成を示す断面図。 第1実施形態にかかるアンテナ装置の変形例1を示す断面図。 第1実施形態にかかるアンテナ装置の変形例2を示す断面図。 第2実施形態にかかるアンテナ装置の構成を示す上面図。 第2実施形態にかかるアンテナ装置の構成を示す断面図。 第2実施形態にかかるアンテナ装置の変形例3を示す上面図。 第2実施形態にかかるアンテナ装置の変形例3を示す断面図。 第3実施形態にかかるアンテナ装置の構成を示す上面図。 第3実施形態にかかるアンテナ装置の構成を示す断面図。 第4実施形態にかかるアンテナ装置の構成を示す上面図。 第4実施形態にかかるアンテナ装置の構成を示す断面図。 第5実施形態にかかるアンテナ装置の構成を示す図。 第6実施形態にかかる無線装置の構成を示す図。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態にかかるアンテナ装置1の構成を示す図である。図1Aは、本実施形態に示すアンテナ装置1の上面図である。また、図1Bは、図1Aの一点鎖線B−B’におけるアンテナ装置1の断面図である。
アンテナ装置1は、基板10と、基板10を貫通するスルーホール20と、基板10の第1層に形成される第1接地導体30と、基板10の第2層に形成される第2接地導体50とを備える。また、アンテナ装置1は、基板10に形成される放射素子60と、放射素子60に給電する給電線70とを備える。さらに、アンテナ装置1は、ランド90a、90bを備える。
基板10は、複数の層を有する多層基板である。本実施形態にかかる基板10は、基板10の外層である第1、第2層と、内層である第3層(図示せず)とを有し、第1層と第3層との間、及び第2層と第3層との間にそれぞれ樹脂やセラミックなどで構成される絶縁層(図示せず)を有する。
スルーホール20は、基板10を貫通するように設けられる。また、ランド90aは、スルーホール20の一端と接続し、基板10の表面である第1層であって、隙間40の内側に形成される。ランド90bは、スルーホール20の他端と接続し、基板10の表面である第2層に形成される。
第1接地導体30は、基板10の第1層に形成され、スルーホール20の一端との間に隙間40を有する。図1Aに示すように、第1接地導体30は円形の穴を有しており、スルーホール20の一端がかかる穴の内側に形成される。
第2接地導体50は、基板10の第2層に形成される。第2接地導体50は、スルーホール20の他端を囲うように設けられる。また、放射素子60は、基板10の第1層に形成される。本実施形態の放射素子60は、第1接地導体30に設けられたスリットである。図1Aに示すように、放射素子60は、一点鎖線B−B’と垂直な辺を長辺とする長方形のスロットである。放射素子60は、一点鎖線B−B’と略平行な偏波面を有する直線偏波を送信又は受信する。
給電線70は、基板10の第1層と第2層との間に位置する第3層に形成される信号線である。給電線70は、スルーホール20と導通し、放射素子60に給電する。また、給電線70は、第3層のうち、隙間40を基板10の厚さ方向に投影した領域に形成される直線路80を有する。直線路80は、放射素子60が送受信する直線偏波の偏波面と略平行に形成される。
なお、スルーホール20と給電線70とが導通する部分にランド(図示せず)を設けてもよい。また、第2接地導体50を外層ではなく内層に設けてもよい。この場合、第2接地導体50は、給電線70より第1層側に位置するようにしてもよい。
アンテナ装置1には、同軸線路100が接続される。同軸線路100は、内導体110と外導体120とを有する。内導体110は、ランド90bを介してスルーホール20とはんだ付け等の方法で電気的に接続される。また、外導体120は、第2接地導体50とはんだ付け等の方法で電気的に接続される。なお、同軸線路100とアンテナ装置1とを接続するはんだが、スルーホール20から流れ落ちないように、スルーホール20の内部に樹脂などを充填してもよい。
次に、アンテナ装置1の動作原理について説明する。本実施形態にかかるアンテナ装置1は、スルーホール20の一端と第1接地導体30との間に隙間40を設けている。これにより、アンテナ装置1は、高周波帯で良好な整合特性が得られる。一方、隙間40から直線路80を流れる電波が漏洩する。
ここで、放射素子60は、直線偏波を送受信するアンテナである。したがって、放射素子60が送受信する電波に偏波面の異なる電波が重なると、交差偏波識別度が劣化してしまい、アンテナ装置1の通信精度が劣化してしまう。
そこで、本実施形態にかかるアンテナ装置1では、直線路80は直線偏波の偏波面と平行に形成することで、隙間40から漏洩する電波の電界の向き(図1Aの矢印A)が偏波面と略平行となるようにしている。これにより、隙間40から漏洩する電波の偏波面と、放射素子60が送受信する直線偏波の偏波面とを略平行とすることができるため、交差偏波識別度を劣化させることなく、アンテナ装置1が電波の送受信を行うことができる。
以上のように、本実施形態にかかるアンテナ装置1は、隙間40から漏洩する電波の電界の向き(図1Aの矢印A)を偏波面と略平行とすることで交差偏波識別度の劣化を抑制し、アンテナ装置1の通信精度を向上させることができる。また、基板10を貫通するスルーホール20を設けることでアンテナ装置1と同軸線路100とを接続しているため、アンテナ装置1を簡易に製造することができ、製造コストを削減することができる。
(変形例1)
図2を用いて、第1実施形態にかかるアンテナ装置1の変形例1を説明する。本変形例にかかるアンテナ装置2の上面図は、図1Aと同じであるため図示を省略する。また、図2は、図1Aの一点鎖線B−B’におけるアンテナ装置2の断面図である。第1実施形態と同じ構成要素には同一符号を付し説明を省略する。
図2に示すように、本変形例にかかるアンテナ装置2は凹部140aを有する。凹部140aは、第1接地導体30が有する穴を基板10の厚さ方向に掘り下げた構成を有する。すなわち、基板10の第1層と第3層との間に位置する絶縁層に穴が形成されている。
ここで、図1Bに示すスルーホール20のうち、給電線70より基板10の第1層側に形成されるビア130について説明する。ビア130は、スルーホール20のうち基板10の第1層と第3層との間の絶縁層に形成される部分に相当する。
ビア130は、給電線70より同軸線路100が接続される側と反対側に形成されるため、アンテナ装置1のオープンスタブとして動作する。給電線70が高周波信号を伝達する場合、オープンスタブとして動作するビア130のリアクタンス成分により、インピーダンスの不整合を生じ、高周波信号が損失することがある。
そこで、本変形例では、ビア130に相当する部分を例えばドリルなどで除去し、凹部140aを形成することで、スルーホール20の一部がオープンスタブとして動作することを抑制し、インピーダンスの不整合を生じさせにくくしている。このように、基板10を貫通するスルーホール20の一端と給電線70とを導通させることで、給電線70を伝達する高周波信号の損失を低減することができる。
(変形例2)
図3を用いて、第1実施形態にかかるアンテナ装置1の変形例2を説明する。本変形例にかかるアンテナ装置3の上面図は、図1Aと同じであるため図示を省略する。また、図3は、図1Aの一点鎖線B−B’におけるアンテナ装置3の断面図である。第1実施形態と同じ構成要素には同一符号を付し説明を省略する。
図3に示すように、本変形例にかかるアンテナ装置3は凹部140bを有する。凹部140bは、第2接地導体50が有する穴を基板10の厚さ方向に掘り下げた構成を有する。すなわち、基板10の第2層と第3層との間に位置する絶縁層に穴が形成されている。
ここでは、同軸線路100の内導体110がスルーホール20の内部を貫通している。また、ランド90aにおいて、内導体110とスルーホール20がはんだ150で接続される。
このように、基板10の第2層と第3層との間に位置する絶縁層の一部をドリルなどにより除去することで、絶縁層による材料損失を低減することができる。
なお、変形例1、2では、それぞれ基板10の片面に凹部140a、140bを有しているが、基板10の両面にそれぞれ140a、140bを有するようにしてもよい。この場合、凹部140a、140bの深さを調整することで、基板10の強度を確保するようにしてもよい。
(第2実施形態)
図4は、第2実施形態にかかるアンテナ装置4の構成を示す図である。図4Aは、本実施形態に示すアンテナ装置4の上面図である。また、図4Bは、図4Aの一点鎖線B−B’におけるアンテナ装置4の断面図である。
本実施形態にかかるアンテナ装置4は、放射素子61がパッチアンテナである点、及び第3接地導体160をさらに有する点を除き、図1に示すアンテナ装置1と同じ構成であるため、同一符号を付し説明を省略する。
放射素子61は、一辺に凹部を有する略四角形のパッチアンテナである。放射素子61は、一辺に設けられた凹部で給電線70と直流的に接続されており、偏波面が一点鎖線B−B’と平行な直線偏波を送受信する。また、第1接地導体30は、略四角形の穴を有している。放射素子61は、第3層であって、かかる穴を基板10の厚さ方向に投影した領域内に形成される。
第3接地導体160は、基板10の内層であって、第2層と第3層との間に位置する第4層に形成される。第3接地導体160は、図4Bの点線で示す領域において、第1接地導体30及び給電線70とともにストリップ線路170を構成する。
以上のように、本実施形態にかかるアンテナ装置4は、第1実施形態と同様の効果が得られる。さらに、アンテナ装置4は、第1接地導体30及び給電線70とともにストリップ線路170を構成する第3接地導体160を有することで、給電線70が屈曲部や分岐部など電気的に不連続な部分を有する場合であっても、給電線70からの電波の漏洩を抑制することができる。また、アンテナ装置4は、基板10の第2層側への不要放射を低減することができる。
なお、アンテナ装置4の放射素子61は、一点鎖線B−B’と略平行な偏波面を有する直線偏波を送受信するものであれば、様々な形状とすることができる。第1実施形態に示すように、スロットアンテナとしてもよく、本実施形態に示すようにパッチアンテナとしてもよい。また、給電線70は、本実施形態のように直流的に接続することで放射素子61に給電してもよく、また電磁界結合によって給電してもよい。これは、第1実施形態に示すアンテナ装置1も同様である。
(変形例3)
図5を用いて、第2実施形態にかかるアンテナ装置4の変形例3を説明する。図5Aは、本変形例にかかるアンテナ装置5の上面図である。また、図5Bは、図5Aの一点鎖線B−B’におけるアンテナ装置5の断面図である。なお、第2実施形態と同じ構成要素には同一符号を付し説明を省略する。
本変形例にかかるアンテナ装置5の放射素子62は、略四角形のパッチアンテナである。第1接地導体30は、略四角形の穴を有しており、放射素子62は、第1層であって、かかる穴の内側に形成される。
第2接地導体50は、基板10の第2層のうち、給電線70を厚さ方向に投影した領域に形成される。第2接地導体50は、図5Bの点線で示す領域において、第1接地導体30及び給電線70とともにストリップ線路180を構成する。
このように、第1、第2接地導体30、50及び給電線70でストリップ線路180を構成するようにしてもよい。第2接地導体50を用いてストリップ線路180を構成することで、基板10の層数を増やすことなく第2実施形態と同様の効果を得ることができる。
(第3実施形態)
図6は、第3実施形態にかかるアンテナ装置6の構成を示す図である。図6Aは、本実施形態に示すアンテナ装置6の上面図である。また、図6Bは、図6Aの一点鎖線B−B’におけるアンテナ装置6の断面図である。なお、変形例3のアンテナ装置5と同じ構成要素には同一符号を付し説明を省略する。
アンテナ装置6は、一端が第1接地導体30と接続し、他端が第2接地導体50と接続する複数の接地導体190a〜190gを有する。複数の接地導体190a〜190gは、スルーホール20を取り囲むように円弧状に配列されるスルーホールである。なお、円弧状の弦に相当する部分に給電線70が形成される。
このように、スルーホール20を取り囲むように複数の接地導体190a〜190gを配置することで、スルーホール20が内導体、複数の接地導体190a〜190gが外導体として動作する疑似同軸構造を形成する。これにより、スルーホール20から給電線70へ向かう方向以外に電波が漏洩しにくくなる。例えば図6Bでは、矢印Cに示す給電線70と反対の向きに発生する漏洩モードを抑制することができる。
以上のように、本実施形態にかかるアンテナ装置6は、第2実施形態と同様の効果が得られるとともに、スルーホール20から給電線70へ向かう方向以外に発生する漏洩モードを抑制することができ、給電線70を伝達する高周波信号の損失を低減することができる。
なお、図6では、アンテナ装置6が7本の接地導体190a〜190gを有する場合について説明したが、複数の接地導体の数はこれに限られない。複数の接地導体190a〜190gによって、スルーホール20から給電線70へ向かう方向以外の方向に発生する漏洩モードを抑制できる本数であればよい。
(第4実施形態)
図7は、第4実施形態にかかるアンテナ装置7の構成を示す図である。図7Aは、本実施形態に示すアンテナ装置7の上面図である。また、図7Bは、図7Aの一点鎖線B−B’におけるアンテナ装置7の断面図である。なお、第3実施形態のアンテナ装置7と同じ構成要素には同一符号を付し説明を省略する。
アンテナ装置7は、一端が複数の接地導体190a〜190gの少なくとも1つと接続し、他端が給電線70と接続した導体線71をさらに備える。図7に示す導体線71は、一端が接地導体190dに接続している。
導体線71を介して接地導体190dと給電線70とを接続することで、導体線71及び接地導体190d(図7Bの点線で示す領域D1)がショートスタブとして動作する。また、変形例1でも説明したように、図1Bに示すビア130(図7の点線で示す領域D2)はオープンスタブとして動作する。このように、アンテナ装置7は、給電線70とスルーホール20との接続点に、オープンスタブとショートスタブとを付加した構成となる。
ここで、オープンスタブであるビア130は、長さが伝送する周波数の4分の1波長以下であれば容量性を示す。また、ショートスタブとして動作する導体線71及び接地導体190dの長さが伝送する周波数の4分の1波長以下であれば誘導性を示す。
上述したように、アンテナ装置7は、給電線70とスルーホール20との接続点に、オープンスタブである領域D2とショートスタブである領域D1とを付加した構成となる。これにより、オープンスタブの容量性とショートスタブの誘導性が互いに打ち消し合うため、かかる領域D1、D2によって発生するリアクタンス成分を低減することができ、インピーダンスの不整合を改善することができる。
以上のように、本実施形態にかかるアンテナ装置7は、第3実施形態と同様の効果が得られるとともに、インピーダンスの不整合を改善することができるため、給電線70を伝達する高周波信号の損失を低減することができる。
なお、本実施形態にかかるアンテナ装置7では、導体線71の一端が接地導体190dと接続する場合について説明したが、他の接地導体190a〜190c、190e〜190gと接続するようにしてもよい。
また、アンテナ装置7が複数の導体線71を有するようにしてもよい。この場合、一点鎖線B−B’と垂直な方向に流れる電流を打ち消すように、複数の導体線71を図7Aに示す上面図において一点鎖線B−B’を軸として線対称となるように配置することが望ましい。
(第5実施形態)
図8は、第5実施形態にかかるアンテナ装置8の構成を示す図である。図8は、本実施形態に示すアンテナ装置8の上面図である。なお、変形例3のアンテナ装置5と同じ構成要素には同一符号を付し説明を省略する。
アンテナ装置8は、第1〜第4放射素子62a〜62dを有している。各第1〜第4放射素子62a〜62dの構成は、図5に示すアンテナ装置5の放射素子62と同じであるため説明を省略する。
第1接地導体30は、第1層に2行×2列に配列された略四角形の穴を有している。第1〜第4放射素子62a〜62dは、第1層であって、各穴の内側にそれぞれ形成される。第1〜第4放射素子62a〜62dは、同一方向から給電されており、一点鎖線B−B’と略平行な偏波面を有する直線偏波を送信又は受信する。このようにアンテナ装置8は、第1〜第4放射素子62a〜62dを有するアレーアンテナとして動作する。
ここで、例えば複数のアレーアンテナ装置を有するアンテナシステムを考える。このようなアンテナシステムの場合、アレーアンテナ装置の数と同様に給電線70の数も増える。そのため、給電線70から漏洩する電波が増加し、交差偏波識別度に与える影響が大きくなる。
そこで、本実施形態にかかるアンテナ装置8を複数用いてアンテナシステムを構成することで、各アンテナ装置8の公差偏波識別度の劣化を抑制することができ、アンテナシステムの通信精度を向上させることができる。
以上のように、本実施形態にかかるアンテナ装置8は、各第1〜第4放射素子62a〜62dが送受信する直線偏波の偏波面と、給電線70が有する直線路80とを略平行とすることで、第2実施形態と同様の効果を得ることができる。また、複数のアンテナ装置8を用いてアンテナシステムを構成した場合であっても、アンテナシステムの通信精度を向上させることができる。
(第6実施形態)
図9は、第6実施形態にかかる無線装置200の構成を示す図である。本実施形態にかかる無線装置200は、図1に示すアンテナ装置1を搭載しているが他の実施形態及び他の変形例に示すアンテナ装置を搭載してもよい。
無線装置200は、アンテナ装置1と、アンテナ装置1を介して信号を受信又は送信する無線部とを有する。無線部は、アナログ部210と、デジタル部220と、アプリケーション部230とを有する。
アナログ部210は、アンテナ装置1を介して受信した信号にアナログ処理を施し、デジタル部220へ渡す。またアナログ部210は、デジタル部220から受け取った信号にアナログ処理を施し、アンテナ装置1を介して送信する。
デジタル部220は、アナログ部210から受け取った信号にデジタル処理を施し、アプリケーション部230へ渡す。また、デジタル部220は、アプリケーション部230から受け取った信号にデジタル処理を施し、アナログ部210へ渡す。
アプリケーション部230は、種々のアプリケーションを実行する。アプリケーション部230は、アプリケーションを実行することで信号を生成し、生成した信号をデジタル部220へ渡す。また、アプリケーション部230は、デジタル部220から受け取った信号に基づいてアプリケーションを実行する。
以上のように、本実施形態にかかる無線装置200は、アンテナ装置1を介して通信を行うことで、第1実施形態と同様の効果が得られるとともに、無線装置200の通信精度を向上させることができる。
なお、上述した各実施形態では、各アンテナ装置が送受信を行う場合について説明したが、各アンテナ装置が送信のみ、又は受信のみを行うようにしてもよい。この場合、例えば送信を行うアンテナ装置の偏波面と受信を行うアンテナ装置の偏波面が略直行するように2つのアンテナ装置を1つの無線装置に搭載するようにしてもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1〜8 アンテナ装置
10 基板
20 スルーホール
30 第1接地導体
50 第2接地導体
60、61、62 放射素子
70 給電線
71 導体線
80 直線路
90a、90b ランド
160 第3接地導体
190a〜190g 接地導体
200 無線装置

Claims (9)

  1. 基板を貫通するスルーホールと、
    前記基板の第1層に形成され、前記スルーホールの一端との間に隙間を有する第1接地導体と、
    前記基板の第2層に形成される第2接地導体と、
    前記基板に形成され、直線偏波を送信又は受信する放射素子と、
    前記基板の内層であって、前記第1層と前記第2層との間に位置する第3層に形成され、前記スルーホールと導通し、前記放射素子に給電する給電線と、
    を備え、
    前記給電線は、前記第3層のうち、前記隙間を前記基板の厚さ方向に投影した領域に、前記直線偏波の偏波面と略平行に形成される直線路を有するアンテナ装置。
  2. 前記スルーホールの他端と接続し、前記基板の表面に形成されるランド部をさらに備える請求項1に記載のアンテナ装置。
  3. 前記スルーホールの一端と接続し、前記基板の表面であって、前記隙間の内側に形成される第2ランド部をさらに備える請求項1又は請求項2に記載のアンテナ装置。
  4. 前記基板の内層であって、前記第2層と前記第3層との間に位置する第4層に形成され、前記第1接地導体及び前記給電線とともにストリップ線路を構成する第3接地導体をさらに備える請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
  5. 前記第2接地導体は、前記第2層のうち、前記給電線を前記厚さ方向に投影した領域に形成され、前記第1接地導体及び前記給電線とともにストリップ線路を構成する請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
  6. 一端が前記第1接地導体と接続し、他端が前記第2接地導体と接続し、前記スルーホールを取り囲むように配列された複数の接地導体をさらに備える請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
  7. 一端が前記複数の接地導体の1つと接続し、他端が前記給電線と接続した導体線をさらに備える請求項6に記載のアンテナ装置。
  8. 前記基板に形成され、前記直線偏波を送信又は受信する第2放射素子をさらに備える請求項1乃至請求項7のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
  9. 基板を貫通するスルーホールと、
    前記基板の第1層に形成され、前記スルーホールの一端との間に隙間を有する第1接地導体と、
    前記基板の第2層に形成される第2接地導体と、
    前記基板に形成され、直線偏波を送信又は受信する放射素子と、
    前記基板の内層であって、前記第1層と前記第2層との間に位置する第3層に形成され、前記スルーホールと導通し、前記放射素子に給電する給電線と、
    を有するアンテナと、
    前記アンテナを介して信号の送信又は受信を行う無線部と、
    を備え、
    前記給電線は、前記第3層のうち、前記隙間を前記基板の厚さ方向に投影した領域に、前記直線偏波の偏波面と略平行に形成される直線路を有する無線装置。
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